Luận án: Tiêu chuẩn phá hủy bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có chiều dày cỡ nanô mét - Vương Văn Thanh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Vương Văn Thanh TIÊU CHUẨN PHÁ HỦY CỦA BỀ MẶT CHUNG GIỮA HAI LỚP VẬT LIỆU CÓ CHIỀU DÀY CỠ NANÔ MÉT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Hà Nội – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Vương Văn Thanh TIÊU CHUẨN PHÁ HỦY CỦA BỀ MẶT CHUNG GIỮA HAI LỚP VẬT LIỆU CÓ CHIỀU DÀY CỠ NANÔ MÉT Chuyên ngành: Cơ học vật rắn Mã số: 62440107 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TRỊNH ĐỒNG TÍNH Hà Nội – 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chưa có ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Trong luận án có sử dụng một phần kết quả nghiên cứu của hai đề tài “Xác định độ bền bắt đầu nứt của bề mặt chung giữa các lớp vật liệu có chiều dày nanô mét”, mã số 107.09 và đề tài “Dự báo sự phát triển vết nứt dọc theo bề mặt chung giữa các lớp vật liệu có chiều dày nanô mét dưới tác dụng của tải trọng có chu kỳ”, mã số 107.20 được tài trợ bởi Quỹ phát triển khoa học và công nghệ quốc gia (Nafosted) do nghiên cứu sinh và đồng tác giả tham gia thực hiện và đã được chủ nhiệm đề tài cùng các thành viên trong nhóm nghiên cứu cho phép sử dụng.

Các thông tin tham khảo bắt nguồn từ nghiên cứu khác, tôi cam kết đã trích dẫn đầy đủ trong luận án. Tập thể hướng dẫn Tác giả luận án PGS. Đỗ Văn Trường Vương Văn Thanh LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất đến hai thầy của tôi là PGS. Đỗ Văn Trường và TS.

Trịnh Đồng Tính - Đại học Bách khoa Hà Nội. Các thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và động viên trong suốt quá trình nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành luận án này. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn đến sự giúp đỡ quý báu của các thầy trong Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy & Robot - Viện Cơ khí - Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm luận án cũng như các đóng góp quý báu về luận án. Tôi cũng xin được gửi lời cám ơn đến GS.

Takayuki Kitamura - Đại học Kyoto - Nhật Bản, GS. Hiroyuki Hirakata - Đại học Osaka - Nhật Bản về việc cho phép sử dụng các kết quả nghiên cứu chung và các góp ý quý báu về luận án. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thành viên trong nhóm nghiên cứu của PGS. Đỗ Văn Trường: ThS.

Nguyễn Tuấn Hưng, ThS. Lê Văn Lịch, ThS. Vũ Văn Tuấn và các thành viên khác trong nhóm nghiên cứu đã giúp đỡ, động viên trong trong suốt thời gian tôi thực hiện luận án. Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện Cơ khí, Viện Đào tạo sau đại học của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ và góp ý tác giả trong quá trình thực hiện luận án.

Tôi xin cảm ơn Quỹ phát triển khoa học và Công nghệ Quốc gia (Nafosted) đã hỗ trợ kinh phí cho đề tài mã số 107.09 và đề tài mã số 107.20 để tôi thực hiện nghiên cứu này. Cuối cùng tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình, bố mẹ, vợ và con gái Bảo Linh đã động viên, giúp đỡ tôi trong thời gian nghiên cứu, thực hiện luận án. Hà Nội, ngày. năm 2015 Nghiên cứu sinh Vương Văn Thanh MỤC LỤC Trang MỤC LỤC.

1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. 4 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN ÁN. 7 DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG LUẬN ÁN. 11 Lý do chọn đề tài.

11 Mục tiêu nghiên cứu…………………………………………………………. 12 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu…………………………………………………. 12 Phương pháp nghiên cứu…………………………………………………………. 13 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án…………………………………………13 Những điểm mới của luận án……………………………………………………… 13 Bố cục của luận án………………………………………………………………… 14 Chương 1.

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Kết luận chương 1. Tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có vết nứt ban đầu. Tiêu chuẩn phá hủy trên bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu.

Tiêu chuẩn phá hủy với  = 0. Tiêu chuẩn phá hủy với   0. Thiết lập tiêu chuẩn phá hủy tổng quát của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu. Phương pháp xác định.

Kiểm tra tính đúng đắn của phương pháp. Cặp vật liệu có hệ số  = 0. Cặp vật liệu có hệ số   0. Tiêu chuẩn phá hủy tổng quát của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu Cu/Si.

Thiết lập tiêu chuẩn phá hủy tổng quát  56 2. Kết luận chương 2. Tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu không có vết nứt ban đầu……………………………………………………. Mô hình vùng kết dính.

Xác định tiêu chuẩn phá hủy bề mặt chung của cặp vật liệu Sn/Si. Dữ liệu thí nghiệm Hirakata [49]. Phương pháp xác định. Kết quả và thảo luận.

Xác định tiêu chuẩn phá hủy bề mặt chung của cặp vật liệu Cu/Si. Dữ liệu thí nghiệm Sumigawa [94]. Phương pháp xác định. Kết quả và thảo luận.

Kết luận chương 3. Tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu có vết nứt ban đầu dưới tác dụng của tải trọng có chu kỳ. Vật liệu và mẫu thí nghiệm. Thí nghiệm mỏi.

Kết quả và thảo luận. Kết luận chương 4. 92 Kết luận và hướng phát triển của luận án. 93 Hướng phát triển của luận án.

95 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 96 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 107 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT FEM – Finite element method MEMS – Micro Electro Mechanical Systems NEMS - Nano Electro Mechanical Systems TEM - Transmission electron microscopy C - Thông số của vật liệu E – Mô đun đàn hồi GI - Tốc độ giải phóng năng lượng mode I GII - Tốc độ giải phóng năng lượng mode II GIII - Tốc độ giải phóng năng lượng mode III GIc - Tốc độ giải phóng năng lượng tới hạn mode I GIIc - Tốc độ giải phóng năng lượng tới hạn mode II GIIIc - Tốc độ giải phóng năng lượng tới hạn mode III Gc - Tốc độ giải phóng năng lượng tới hạn Gmax - Tốc độ giải phóng năng lượng lớn nhất Gmin - Tốc độ giải phóng năng lượng nhỏ nhất J - Tích phân xung quanh đỉnh vết nứt J Jc - Tích phân J tới hạn KI - Hệ số cường độ ứng suất mode I KII - Hệ số cường độ ứng suất mode II KIII - Hệ số cường độ ứng suất mode III Kc - Hệ số cường độ ứng suất tới hạn KIc - Hệ số cường độ ứng suất tới hạn mode I 4 KIIc - Hệ số cường độ ứng suất tới hạn mode II KIIIc - Hệ số cường độ ứng suất tới hạn mode III L - Đường lấy tích phân N - Số chu kỳ P- Lực tác dụng Pc - Lực tác dụng tới hạn Pmax - Lực tác dụng lớn nhất Pmin - Lực tác dụng nhỏ nhất Q1, Q2 - Hệ số mũ R – Bán kính mẫu thử T – Lực kết dính Tm – Lực kết dính lớn nhất Tn – Lực kết dính theo phương pháp tuyến Tt – Lực kết dính theo phương tiếp tuyến Ti - Thành phần của véc tơ pháp tuyến a - Chiều dài vết nứt c - Hệ số compliance da/dN - Tốc độ phát triển vết nứt ds- Chiều dài dọc theo đường lấy tích phân i- Đơn vị số ảo l – Chiều dài tham khảo m - Thông số của vật liệu r - Khoảng cách tính từ cạnh tự do u - Chuyển vị ở đầu đặt lực ui - Thành phần của véc tơ chuyển vị 5 w – Mật độ năng lượng biến dạng  - Hệ số Dundur ()- Hàm độ bền phá hủy bề mặt chung o - Công phân ly bề mặt trên một đơn vị diện tích n - Chuyển vị phân ly lớn nhất  - Chuyển vị phân ly n - Chuyển vị phân ly tới hạn G- Biên độ tốc độ giải phóng năng lượng Gi - Biên độ tốc độ giải phóng năng lượng thứ i Gth- Biên độ tốc độ giải phóng năng lượng ngưỡng dưới Gc- Biên độ tốc độ giải phóng năng lượng tới hạn K- Biên độ hệ số cường độ ứng suất Ki - Biên độ hệ số cường độ ứng suất thứ i  ij - Ten xơ biến dạng  - Hệ số kể đến ảnh hưởng của mode II đến tiêu chuẩn phá hủy µ – Mô đun trượt  - Hệ số poisson  - Góc pha hỗn hợp  - Hệ số kỳ dị ứng suất  ij - Ten xơ ứng suất ijc - Ứng suất tập trung tới hạn 6 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN ÁN Trang Bảng 2.1 Các bước tiến hành xác định tiêu chuẩn phá hủy (…………………….2 Hằng số vật liệu của cặp vật liệu plexiglass/epoxy.3 Hằng số vật liệu của cặp vật liệu nhôm/epoxy.4 Kích thước và lực tác dụng tới hạn trên mẫu thí nghiệm I.5 Hằng số vật liệu của các lớp vật liệu dùng trong mẫu thí nghiệm I.6 Kích thước và lực tác dụng tới hạn trên mẫu thí nghiệm II.1 Kích thước mẫu thử và giá trị lực tới hạn.2 Thông số vật liệu trong phân tích phần tử hữu hạn.3 Mẫu thử và tải trọng giới hạn để tách lớp vật liệu.4 Hằng số vật liệu của các vật liệu sử dụng trong mô hình tính toán .1 Hằng số vật liệu của các lớp vật liệu sử dụng trong nghiên cứu.2 Biên độ tốc độ giải phóng năng lượng trên các mẫu thử. 87 7 DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG LUẬN ÁN Trang Hình 1.1 Mối ghép bám dính và dạng phá hỏng trong chíp vi xử lý.2 Cặp vật liệu ghép đôi có vết nứt ban đầu.3 Kiểu phá hủy cơ bản của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng.4 Thí nghiệm dầm công xôn kép DCB.5 Thí nghiệm dầm uốn hỗn hợp ENF.6 Thí nghiệm dầm uốn hỗn hợp MMF.7 Thí nghiệm dầm công xôn.8 Thí nghiệm dầm uốn 3 điểm.9 Thí nghiệm dầm uốn 4 điểm.10 Mẫu thử đĩa Brazil-nut.11 Mẫu thử đĩa Arcan.12 Vật liệu ghép đôi không có vết nứt ban đầu.13 Trường ứng suất gần cạnh tự do của bề mặt chung.14 Đường cong quan hệ giữa tốc độ phát triển vết nứt da/dN và biên độ tốc độ giải phóng năng lượng G.1 Các phương pháp xác định tiêu chuẩn phá hủy của bề mặt chung giữa hai lớp vật liệu.2 Cặp vật liệu ghép đôi có vết nứt ban đầu.3 Tiêu chuẩn phá hủy biểu diễn theo hệ số cường độ ứng suất K.4 Tiêu chuẩn phá hủy biểu diễn theo .5 Ảnh hưởng của chiều dài l đến tiêu chuẩn phá hủy  38 Hình 2.